多線切割中溫度對(duì)懸浮液的影響

欒國(guó)旗

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津300220)

多線切割機(jī)(Multi-wire saw，簡(jiǎn)稱線鋸)以極高的生產(chǎn)效率和出片率廣泛應(yīng)于光伏及半導(dǎo)體硅片加工領(lǐng)域。多線切割機(jī)的原理是通過伺服電機(jī)控制的放線輪拉出的鍍銅拉絲繞過幾個(gè)起轉(zhuǎn)向作用滑輪，然后經(jīng)過控制張力的控制器，在切割室內(nèi)連續(xù)纏繞在2～4個(gè)主導(dǎo)輪上，形成一個(gè)在水平面上彌補(bǔ)的平行線網(wǎng)。而在線網(wǎng)的上方，單晶的兩側(cè)布置有砂漿噴灌提供穩(wěn)定的砂漿流量。鋼絲繞過線網(wǎng)后再通過滑輪和張力回到收線輪上，在切割時(shí)高速運(yùn)動(dòng)的鋼線攜帶附著在鋼絲上的SiC磨料對(duì)硅棒進(jìn)行研磨從而達(dá)到切割的效果。所以利用線切割設(shè)備的先進(jìn)工藝和技術(shù)特性來(lái)降低硅片成本、節(jié)約原材料、提高生產(chǎn)效率已成為該領(lǐng)域目前關(guān)注的焦點(diǎn)。

切割過程是造成硅片表觀缺陷、應(yīng)力、破損和機(jī)械損傷的最主要工序[1]。因此研究線切割的工藝機(jī)理，研制新型懸浮液以及控制其切割溫度，對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展有著重要的指導(dǎo)意義。

1 懸浮液特性

1.1 懸浮液

性能優(yōu)良的懸浮液兼有切削、粘滯、冷卻三大功能，在懸浮液中加人切割砂(主要成份為SiC)后的懸浮液又稱砂漿。常用懸浮液為無(wú)色透明液體，主要成分為乙二醇，具有粘滯性，能攜帶SiC顆粒隨線網(wǎng)一起運(yùn)動(dòng)。相比傳統(tǒng)內(nèi)圓切割，多線切割所用的懸浮液能有效降低硅片表面損傷應(yīng)力、減小硅片的切割損傷層、提高切削速度。

懸浮液的主要性能分析：

1)懸浮液能吸附在SiC顆粒表面上產(chǎn)生位壘，使顆粒分散開來(lái)，達(dá)到分散、懸浮的特性;提高SiC的分散穩(wěn)定能力，防止顆粒團(tuán)聚粘結(jié)，避免在硅片表面形成短粗的淺劃傷[2]。

2)懸浮液的潤(rùn)滑作用能減小SiC顆粒對(duì)硅片的強(qiáng)機(jī)械摩擦，使硅片表面與SiC間的摩擦轉(zhuǎn)化為潤(rùn)滑膜分子間的內(nèi)摩擦，使摩擦副運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，提高切削速度;摩擦生熱小，減小了切割損傷、應(yīng)力和微裂[3，4]。所謂潤(rùn)滑作用，是指懸浮液滲入線網(wǎng)一硅片及線網(wǎng)一碎屑之間形成潤(rùn)滑膜。由于這層潤(rùn)滑膜，使得這些界面的摩擦減輕，切削熱、SiC顆粒磨損、硅片表面損傷均減小。

3)懸浮液的滲透性為其重要性質(zhì)，滲透性表現(xiàn)為液體的黏度和浸潤(rùn)性。切割前沿溫度很高，高溫可使懸浮液呈汽化分解狀態(tài)滲人切割前沿，氣體比液體黏性力小，即使微小的間隙也能滲人。懸浮液滲人高溫切割前沿區(qū)域內(nèi)，通過對(duì)流和汽化把切削過程產(chǎn)生的熱量帶走，降低切割前沿溫度，減少堿性懸浮液對(duì)硅片表面的氧化作用以及精細(xì)工件的熱變形，使硅片的表面化學(xué)作用一致性好，并且它本身還應(yīng)具備良好的散熱能力。

4)切割過程產(chǎn)生的大量碎屑和硅粉，容易互相粘結(jié)且粘附在硅片和線網(wǎng)上，影響硅片表面粗糙度、降低切割精度，因此要求懸浮液具有清洗功能，其與液體的滲透性、流動(dòng)性、黏度等因素有關(guān)。懸浮液中含有表面活性劑，可以包附在碎屑周圍，使其容易脫落清洗，并附著在硅片表面抑制周圍顆粒的污染。

1.2 懸浮液粘溫特性

由于超薄線切對(duì)硅片幾何參數(shù)要求嚴(yán)格，對(duì)工件室的機(jī)械系統(tǒng)精度要求甚嚴(yán)，故線切割過程中的溫度控制至關(guān)重要。線鋸切割時(shí)間一般為幾個(gè)小時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的溫升積累會(huì)使機(jī)床變形，直接影響切片的質(zhì)量，尤其是硅片的彎曲度、翹曲度等關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。所以，多線切割機(jī)都配有溫控系統(tǒng)。硅錠進(jìn)行線切割時(shí)，砂漿嘴將砂漿噴在線網(wǎng)上，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動(dòng)線網(wǎng)將砂漿帶進(jìn)晶棒里。懸浮液溫度越高時(shí)，其分子熱運(yùn)動(dòng)加快，分子間引力減小，黏度隨之變小，SiC顆粒在鋼線上的附著能力就越差，在切割前沿造成SiC堆積，切割時(shí)線鋸的切削能力下降，影響硅片的質(zhì)量。這種情況經(jīng)常出現(xiàn)，冬季的切割硅片質(zhì)量比夏季好，主要原因就是懸浮液的粘度受到了環(huán)境溫度的影響。圖1為切割過程圖。

圖1 切割區(qū)示意圖

2 黏度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)間或流體層間會(huì)產(chǎn)生切向的內(nèi)摩擦力以抵抗其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流體的這種性質(zhì)被稱為黏性。液體黏度與溫度的關(guān)系非常密切。黏度與溫度并不成線性關(guān)系，它與溫度范圍有關(guān)，溫度越低黏溫關(guān)系越密切。液體的黏性來(lái)自分子引力，溫度升高，分子間的距離加大，分子引力減小，內(nèi)摩擦減弱，黏度就降低。

2.1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)用VA-04型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量懸浮液的黏度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為60 r/min。用TEFD型恒溫水浴加熱，外筒放置于水浴內(nèi)，以2℃/min的速率升溫。先由室溫上升到100℃,測(cè)定溫度上升過程中懸浮液的黏度變化;再逐漸使懸浮液自然冷卻回復(fù)到室溫，測(cè)定溫度下降過程中懸浮液的黏度變化;然后水浴中加人冰塊，使懸浮液溫度由室溫逐漸降至0℃，再測(cè)定溫度下降過程中的黏度變化。測(cè)量之后，再分別以3種溫度(15℃、25℃、35℃)下，研究砂漿對(duì)切片質(zhì)量的影響。

2.2 結(jié)果與討論

升溫和降溫過程懸浮液的黏度變化如圖2，可以看出：隨著溫度的上升，懸浮液黏度下降;反之則上升。溫度較低時(shí)，升溫和降溫過程的黏度曲線并不重合，所以黏度并不完全成彈性恢復(fù)。這是由于黏度變化的滯后現(xiàn)象和熱力破壞作用共同引起的。在降溫過程中，100～25℃之間懸浮液黏度變化較小，但降溫到20℃以下時(shí)，黏度有較大變化。這說(shuō)明在低于20℃時(shí)，懸浮液的分子間引力明顯加強(qiáng)。理論與實(shí)踐證明，10～40℃為懸浮液的最佳工作溫度。黏度太大，容易造成SiC顆粒與切屑的相互粘結(jié)，增大切割阻力與表面損傷。黏度太小，攜帶SiC顆粒能力差、切割力小、切割效率低。

圖2 懸浮液的粘溫曲線

在熱場(chǎng)作用下，懸浮液從一種平衡狀態(tài)通過分子運(yùn)動(dòng)過渡到另一種平衡狀態(tài)需要一定時(shí)間，這種過程稱為松弛過程。由于懸浮液中含有大分子有機(jī)物，分子間次價(jià)鍵作用力很強(qiáng)，本體粘黏度很大，大分子含有各種大小不同的運(yùn)動(dòng)單元，因此在熱場(chǎng)作用下時(shí)，從一種平衡狀態(tài)過渡到另一種平衡狀態(tài)不能瞬時(shí)完成，需要一定的時(shí)間。大分子的松弛時(shí)間一般都較長(zhǎng)，由于大分子運(yùn)動(dòng)單元的多樣性，各運(yùn)動(dòng)單元的松弛時(shí)間亦不相同。這就使得大分子高聚物的松弛時(shí)間不是一個(gè)單一值而是一個(gè)很寬的分布[5]。所以黏度曲線并不完全成彈性恢復(fù)。

在同一溫度下受熱，懸浮液黏度在開始階段明顯下降，這說(shuō)明熱力對(duì)分子力具有破壞作用，但隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，黏度趨于穩(wěn)定。所以短時(shí)間的熱力對(duì)分子力有影響，但長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定熱力對(duì)分子力影響不大。切割前沿的高溫，使懸浮液中含有的有機(jī)物可能向碳化方向過渡，對(duì)懸浮液的黏度等特性有很大影響。本文對(duì)同種懸浮液的廢砂漿黏度也進(jìn)行了測(cè)量(圖3)，黏度相比懸浮液有所上升。因?yàn)榛煊辛饲邢鞣勰┖褪仍?，懸浮液濃度增大，黏度增大，廢砂漿回收意義重大。

圖3 廢砂漿的粘溫曲線

對(duì)比三種溫度(15℃、25℃、35℃)下懸浮液（砂漿）對(duì)切片質(zhì)量的影響，試驗(yàn)設(shè)備為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所研制的DXQ-601A型多線切割機(jī)，切割參數(shù)如表1所示。

表1 三種溫度下切割參數(shù)

分別對(duì)編號(hào)1、2、3切割后的硅片隨機(jī)均勻抽取10片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

再分別對(duì)比三種溫度下，TTV、Warp、Bow的變化，如圖 4、5、6 所示

表2 15℃砂漿切后幾何參數(shù) μm

表3 25℃砂漿切后幾何參數(shù) μm

表4 35℃砂漿切后幾何參數(shù) μm

圖4 TTV變化

圖5 Warp變化

圖6 Bow變化

由圖 4、5、6可知，砂漿溫度適中時(shí)（25℃），其TTV，Warp，Bow都較溫度偏高和偏低時(shí)切割質(zhì)量好，其中，溫度較高時(shí)，TTV與Warp都較溫度低時(shí)大，但Bow較溫度低時(shí)好。總體來(lái)說(shuō)，砂漿溫度適中時(shí)，總體切割質(zhì)量（幾何參數(shù)）要好。

3 結(jié) 論

1)懸浮液的黏度受溫度影響較大，0～25℃范圍內(nèi)，黏度隨溫度降低迅速增大，25℃～100℃范圍內(nèi)，黏度隨溫度升高黏度變化緩慢，呈非線性變化。

2)在熱場(chǎng)作用下，懸浮液從一種平衡狀態(tài)通過分子運(yùn)動(dòng)過渡到另一種平衡狀態(tài)需一定時(shí)間，所以懸浮液升溫和降溫曲線并不完全可逆。

3)切割硅片時(shí)，控制適宜的砂漿溫度（25℃左右），可以有效地控制晶片的幾何參數(shù)。

[1]檀柏梅，牛新環(huán)，趙青云，等.單晶硅線切割技術(shù)及切削液的分析研究[A].第十四屆全國(guó)半導(dǎo)體集成電路、硅材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[c]，珠海：2005，385-387.

[2]張楷亮，劉玉嶺，張建新，等.半導(dǎo)體硅材料加工技術(shù)分析及相關(guān)工藝化學(xué)品的研究[A].第十三屆全國(guó)半導(dǎo)體集成電路、硅材料學(xué)術(shù)會(huì)論文集[C]，深圳，2003，90-105.

[3]劉玉嶺，檀柏梅，郝國(guó)強(qiáng)，等.硅的切削液的分析研究[J].電子器件，ZOOI，24(2)：144-159.

[4]石森森.切削中的摩擦與切削液[M].北京：中國(guó)鐵道出版.1994.120-135

[5]櫻井俊男（日）.切削液與磨削液[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.95-109